Aulas teóricas

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Tratamentos Trmicos APrograma resumido Definio e classificao dos aos Diagramas de equlbrio Fe-C e Fe-Fe3C Tipos de transformao da austenite: em condies de equilbrio, adifusional e em condies intermdias Cintica das transformaes no estado slido controladas por nucleao e crescimento: diagramas TTT e TAC Tratamentos trmicos massa Tipos de recozimento: normalizao, isotrmico e globulizao Tmpera, austmpera e martmpera Revenido Mtodos de determinao da temperabilidade Problemas associados ao aparecimento do patamar de cedncia (bandas de Luders) e forma de os resolver (Skin-pass) Deformaes decorrentes do tratamento trmico Tratamentos termomecnicos Tratamentos trmicos de superfcie Tmpera superficial: tmpera chama e tmpera por induo Tratamentos termoqumicos: cementao e nitrurao Critrios para a seleco de aos: aos de construo e aos para ferramentasMestrado Integrado em Engenharia de Materiais

Tratamentos Trmicos A

Mestrado Integrado em Engenharia de Materiais

Tratamentos Trmicos A

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Tratamentos Trmicos A

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Tratamentos Trmicos ADefinio e classificao dos aosLiga Fe-C, contendo no mximo 2,11% C Contm impurezas, resultantes do processo de fabrico Si, Mn Cr, Ni, Ti, W Podem conter elementos de ligaSi < 0,3% Mn < 1% S, P, O, N e H < 0,05%

Mo, Nb, V, Cu, entre outros

Aos sem liga (aos ao carbono) Aos ligados Baixa liga elementos de liga < 5% elementos de liga 5 - 7,5% / >7,5% Mdia/alta liga Ao hipoeutectide (%C < 0,77%) Ao eutectide (%C = 0,77%) Ao hipereutectide (%C > 0,77%) Ao de construo (podem ser ligados ou no) Ao para ferramentas (podem ser ligados ou no) Ao especial (mdia/alta liga, tratados termicamente)Mestrado Integrado em Engenharia de Materiais

Tratamentos Trmicos A

Fe () 1538 1394C

Temperatura (C)

CCC

CCC Fe () 912 C T. amb.

CFC Fe () 1394 912C

Teor em carbono (% ponderal)

Diagramas de equilbrio Fe C e Fe Fe3C

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Tratamentos Trmicos ATransformao da austeniteAustenite () A3Soluo slida de C no Fe (), podendo dissolver um mximo de 2,11% C a 1148C

Acm

A1 Cementite Ferrite () Estrutura cristalina ortorrmbica (abc) Soluo slida de C no Fe (), podendo Dissolver um mximo de 0,02% C a 728C

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Tratamentos Trmicos ATransformao da austeniteTransformao em condies de equilbrio Ao eutectide (C = 0,77%) Constituinte eutectide Perlite: Fe () + Fe3C

(T = A1 - T)

Ao hipoeutectide (C < 0,77%) Constituinte proeutectide + perlite Ferrite: Fe ()(A3 < T < A1)

Fe () + Fe3C

(T = A1 - T)

Ao hipereutectide (C > 0,77%) Constituinte proeutectide + perlite Cementite: Fe3C(Acm < T < A1)

Fe () + Fe3C

(T = A1- T)

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Tratamentos Trmicos ATransformao da austeniteTransformao em condies de equilbrio

Ao hipoeutectide

Ao eutectide

Ao hipereutectide

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Tratamentos Trmicos ATransformao da austeniteTransformao em condies de equilbrioTransformao controlada por difuso Repartio do carbono da austenite: pela ferrite de baixo teor em carbono (0,02%C, no mximo) e pela cementite de alto teor em carbono (6,67%C)

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Tratamentos Trmicos ATransformao da austenite%C

Difuso de carbono

- carbono + carbono - carbono

x

Junta de gro Austentico

Ncleo de cementite

Crescimento do ncleo, formando lateralmente uma zona pobre em carbono

Direco preperencial de crescimento

Fe3C

Ferrite Cementite Ferrite

Crescimento dos cristais de cementite e ferrite

Crescimento e formao de novos cristais

Ilustrao do modelo proposto para a formao da perliteMestrado Integrado em Engenharia de Materiais

Tratamentos Trmicos ATransformao da austeniteTransformao em condies de equilbrioTransformao controlada por difuso Repartio do carbono da austenite: pela ferrite de baixo teor em carbono (0,02%C, no mximo) e pela cementite de alto teor em carbono (6,67%C)

Transformao em condies fora de equlbrioTransformao adifusional ou martenstica tomos de carbono ficam em sobressaturo na ferrite, distorcem a clula unitria CCC na direco [001], transformando-a em tetragonal de corpo centrado.

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Tratamentos Trmicos ATransformao da austeniteTransformao adifusional ou martenstica

912CFerro

c

Ms Mf

CFC

(entre 912 e 728C) Aos

A3

b a

CCC

Clula unitria da austenite

Clula unitria da ferrite

Clula unitria da martensite

a=b=c 2,11% C

a=b=c 0,02% C

a=bc Grau de tetragonalidade: c/a aumenta com o teor em carbonoMestrado Integrado em Engenharia de Materiais

Diminuio da solubilidade do carbono

Tratamentos Trmicos ATransformao da austeniteTransformao em condies de equilbrioTransformao controlada por difuso Repartio do carbono da austenite: pela ferrite de baixo teor em carbono (0,02%C, no mximo) e pela cementite de alto teor em carbono (6,67%C)

Transformao em condies fora de equlbrioTransformao adifusional ou martenstica Ocorre em condies de arrefecimento rpido tomos de carbono ficam em sobressaturo na ferrite, distorcem a clula unitria CCC na direco [001], transformando-a em tetragonal de corpo centrado. Transformao progride com a diminuio da temperatura Ms: temperatura de incio de transformao da austenite em martensite Mf: temperatura de fim de transformao da austenite em martensiteMestrado Integrado em Engenharia de Materiais

Tratamentos Trmicos ATransformao da austeniteTransformao adifusional ou martensticaMorfologia da martensite ( funo do teor em carbono) Acicular Caracterstica dos aos com elevado ou mdio teor em carbono Os cristais apresentam aspecto de agulha e tm tendncia em revelar microfissuras.

Massiva Caracterstica dos aos baixo teor em carbono Apresenta uma estrutura cristalina CCC e morfologia em forma de placa, dificilmente resolvel ao microscpio ptico.

MistaMestrado Integrado em Engenharia de Materiais

Tratamentos Trmicos ATransformao da austeniteTransformao adifusional ou martensticaMorfologia da martensite

50m

Martensite acicular (ao com 1,2%C)

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Tratamentos Trmicos ATransformao da austeniteTransformao adifusional ou martensticaMorfologia da martensite1000 Temperatura (C) 800 + + Fe3C Ms 400 200 0,2 Massiva Mista Acicular 1,4 1,6 + Fe3C

600

0,4

0,6

0,8 1,0 1,2 Carbono (% ponderal)

Variao de Ms e do tipo de martensite em funo do teor em carbono

Ms (C) = 561 474(%C) 33(%Mn) 17(%Ni) 17(%Cr) 21(%Mo)Mestrado Integrado em Engenharia de Materiais

Tratamentos Trmicos ATransformao da austeniteTransformao em condies de equilbrioTransformao controlada por difuso

Transformao em condies fora de equlbrioTransformao adifusional ou martenstica Transformao baintica Efectuada em condies de arrefecimento intermdias s que promovem a formao de perlite e de martensite. Tal como a perlite, a bainite constituda por ferrite e cementite. No entanto, a ferrite est sobressaturada em carbono e a perlite no apresenta uma morfologia lamelar

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Tratamentos Trmicos ATransformao da austeniteTransformao adifusional ou martensticaMorfologia da bainite Superior ou em pluma Forma-se a temperaturas prximas do limite inferior da formao da perlite Consiste em grandes placas de ferrite com carbonetos precipitados nas frontrieras de gro

Inferior Forma-se a temperaturas prximas de Ms Apresenta uma morfologia acicular, semelhante da martensite

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Tratamentos Trmicos ATransformao da austeniteTransformao bainticaMorfologia da bainiteBainite superior (ao 0,62C-0,54Mn-0,67Si-1,7Ni-0,6Cr-0,32Mo)

A) Transformada isotermicamente a 495CA50m

B) Transformada isotermicamente a 410CB50m

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Tratamentos Trmicos ATransformao da austeniteDiagramas TTT (Tempo-Temperatura-Transformao) Diagramas TAC (Transformao em Arrefecimento Contnuo) Indicam a progresso da transformao da austenite em funo do tempo em condies de no equilbrio Existem para inmeros aos (ao carbono e ligados) e esto catalogados em vrios atlas Possibilitam, tendo em vista a microestrutura pretendida, as seleces do ao e do ciclo trmico mais adequados.

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Tratamentos Trmicos ADiagramas TTTTemperatura Arrefecimento rpido

Temperatura de formao de perlite

Estgio isotrmico

Transformao da austenite em perlite

Arrefecimento rpido Ms Mf

Transformao da austenite em martensite

Tempo

Anlise metalogrfica

Determinao da percentagem de austenite transformada em funo do tempo de estgio

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Tratamentos Trmicos ADiagramas TTT100 0 Produtos da transformao (%) 75 T1 50 50% T2 50% 50 Fim da transformao 25 Austenite (%)

a)- Progresso da transformao isotrmica da austenite;

25 Incio da transformao 0

75

a)

100

T1 Temperatura

b) Diagrama TTT determinado a partir de uma srie de experincias feitas a vrias temperaturas.Fim da transformao Incio da transformao 50%

T2

b)Tempo

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Tratamentos Trmicos ADiagramas TTT

Domnio Perlitco

Domnio Bainitico

Domnio Martenstico

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Tratamentos Trmicos AIncio da transformao da austenite no constituinte proeutectide Incio da transformao da austenite no constituinte eutectide

A 700

A+FFim da transformao da austenite

A+F+C 600 Temperatura (C) 500 A+F+C 400

Diagrama TTT300 Ms A+M 200 100 0 1 2 Tempo (s) 5 10 20 50 100 200 500 1min 2min 103 15min 1h 104 8h 105 24h

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Dureza Rockwell 20 HRC 29,5 32 38,5 45,5 60,5 63

900 Ac3 800 Ac1

Ac3 = 840C

Ac1 = 775C

Ms = 285C

Tratamentos Trmicos A 900 Ac3 800 Ac1 700 600 Temperatura (C) A+F+C Domnio Baintico 500 3 400 300 Ms M50 200 70 Ac3 = 840C Ac1 = 775C Ms = 285C

A

A+F 100 Domnio Perltico 100

A+F+C

Ferrite

Perlite

Diagrama TACA+M

Bainite100 0 HRC 1 2 Tempo (s) 62 59 44 32 29 25 103 21 104 105

Martensite

5 10 20

50 100 200 500 1min 2min

15min Mestrado Integrado em Engenharia de Materiais 1h 8h 24h

Tratamentos Trmicos ADiagrama TAC

45% da austenite transformada em ferrite 5% da austenite transformada em ferrite 5% da austenite transformada em perlite 55% da austenite transformada em perlite

30% da austenite transformada em bainite 60% poder transformar-se em martensite10 Dureza

Velocidade de arrefecimento

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Tratamentos Trmicos AEfeito dos elementos de liga nos pontos crticosAlfagneos: aumentam o domnio da ferrite, aumentando A1 e A3 (Cr, Ti, Mo...) Gamagneos: estabilizam a austenite, fazendo descer A1 e A3 (C, N, Mn, Ni)

A3 (C) = 910 - 203C 15,2Ni + 44,7Si + 104V + 31,5Mo + 13,1W A1 (C) = 723 10,7Mn 16,9Ni + 29,1Si + 16,9Cr + 290As + 6,38W

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Tratamentos Trmicos AEfeito dos elementos de liga nos pontos crticosAlfagneos: aumentam o domnio da ferrite, aumentando A1 e A3 (Cr, Ti, Mo,...) Gamagneos: estabilizam a austenite, fazendo descer A1 e A3 (C, N, Mn, Ni)

a)

b)

Efeito dos elementos de liga a) na temperatura eutectide; b) na composio do ponto eutectideMestrado Integrado em Engenharia de Materiais

Tratamentos Trmicos AEfeito dos elementos na cintica da transformao da austeniteEfeito dos elementos de liga no tempos de inicio e fim de transformao da austenite em perlite a 649C (%C=0,4) Elementos de liga (%)1.5Mn 0.77Mn, 0.98Cr, 0.21Mo 0.78Mn, 1.5Ni, 0.80Cr, 0.33Mo

Ps(s)20 40 3000

Pf(s)500 400 10000

Efeito dos elementos de liga no tempos de inicio e fim de transformao da austenite em bainite a 427C (%C=0,4) Elementos de liga (%) Bs(s) Bf(s)1.5Mn 0.77Mn, 0.98Cr, 0.21Mo 0.78Mn, 1.5Ni, 0.80Cr, 0.33Mo 1.5 4 15 600 300 106

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Tratamentos Trmicos ADefinio do ciclo trmicoTemperatura T Estgio

Arrefecimento (C.min-1) Aquecimento (C.min-1)

t

Tempo

Posicionamento da carga dentro do fornoVolume da carga no dever exceder 1/3 do volume da cmara Todas as amostras devero estar colocadas no mesmo plano e to prximas umas das outars quanto possvel

Controlo da temperatura Proteco das amostras contra a descarburao e a oxidao superficialMestrado Integrado em Engenharia de Materiais

Tratamentos Trmicos ARecozimentoTratamentos trmicos que mais se aproximam das condies de equilbrio Microestrutura resulta da transformao da austenite no domnio perltico

Recozimento de homogeneizao ou de difusoObjectivos: Homogeneizao da composio qumica Eliminao de macro-segregaes originadas durante o processo de solidificao Preparao da liga para ser deformada a quente

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Tratamentos Trmicos ARecozimentoTratamentos trmicos que mais se aproximam das condies de equilbrio Microestrutura resulta da transformao da austenite no domnio perltico

Recozimento de homogeneizao ou de difusoCiclo trmico:Temperatura T =1050 / 1200 C Arrefecimento (200 C.h-1) aos de baixa liga (30 C.h-1) aos de alta liga

300 / 600 C

t = 15 a 20 mininutos por cm de espessura da pea

Tempo

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Tratamentos Trmicos ARecozimentoTratamentos trmicos que mais se aproximam das condies de equilbrio Microestrutura resulta da transformao da austenite no domnio perltico

Recozimento de normalizaoObjectivos: Induzir a formao de uma estrutura perltica fina Melhorar a aptido maquinagem Afinar o gro Modificar o modelo de tenses residuais Homogeneizar a composio qumica Melhorar a resposta a tratamentos trmicos posteriores

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Tratamentos Trmicos ARecozimentoTratamentos trmicos que mais se aproximam das condies de equilbrio Microestrutura resulta da transformao da austenite no domnio perltico

Recozimento de normalizaoCiclo trmico:Temperatura T = AC3, AC1 ou ACm + 25/50 C 300 / 600 C

Arrefecimento: Induz a transformao da austenite no domnio perltico inferior

t = 15 a 20 mininutos por cm de espessura da pea

Tempo

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Tratamentos Trmicos ARecozimento de normalizao900 Ac3 800 Ac1 700 Ac3 = 840C Ac1 = 775C Ms = 285C

A

A+F 100 Domnio Perltico 100

A+F+C

Arrefecimento

600 Temperatura (C) A+F+C Domnio Baintico 500 3 400 300 Ms M50 200 100 0 1 2 Tempo (s) 5 10 20 50 100 200 500 1min 2min 103 15min 1h 104 8h 105 24h 70

Diagrama TACA+M

HRC

62 59 44 32

29

25

21

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Tratamentos Trmicos ARecozimentoTratamentos trmicos que mais se aproximam das condies de equilbrio Microestrutura resulta da transformao da austenite no domnio perltico

Recozimento isotrmicoObjectivos: Obter microestruturas bem definidas graas a um melhor controlo do espaamento interlamelar Reduzir o tempo do ciclo trmico

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Tratamentos Trmicos ARecozimentoTratamentos trmicos que mais se aproximam das condies de equilbrio Microestrutura resulta da transformao da austenite no domnio perltico

Recozimento isotrmicoCiclo trmico:Temperatura T = AC3, AC1 ou ACm + 25/50 C

Arrefecimento rpido Estgio isotrmico no domnio perltico

300 / 600 C

Arrefecimento ao ar t = 15 a 20 mininutos por cm de espessura da pea Tempo

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Tratamentos Trmicos ARecozimento isotrmicoDureza Rockwell 20 HRC A+F+C 600 Temperatura (C) 500 A+F+C 400 300 Ms A+M 200 100 0 1 2 Tempo (s) 5 10 20 50 100 200 500 1min 2min 103 15min 1h 104 8h 105 24h 63 29,5 32 38,5 45,5 60,5 900 Ac3 800 Ac1 Ac3 = 840C Ac1 = 775C Ms = 285C

Estgio isotrmico

A 700

A+F

Diagrama TTT

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Tratamentos Trmicos ARecozimentoTratamentos trmicos que mais se aproximam das condies de equilbrio Microestrutura resulta da transformao da austenite no domnio perltico

Alvio de tensesObjectivos: Reduo das tenses residuais, induzidas no material em resultado da aplicao diversos processos produtivos, a saber: fundio, forjamento, laminagem a frio, maquinagem... Diminuio da dureza e aumento da ductidade (ambos ligeiros), de forma a diminuir a probabilidade de ocorrncia de distores ou fissurao nas etapas posteriores do ciclo produtivo (As alteraes induzidas por este tratamento no so promovidas por alteraes da microestrutura do ao)

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Tratamentos Trmicos ARecozimentoTratamentos trmicos que mais se aproximam das condies de equilbrio Microestrutura resulta da transformao da austenite no domnio perltico

Alvio de tensesDurante a deformao plstica, a maior parte da energia conferida ao material dissipada sob a forma de calor. O material armazena cerca de 10% da energia utilizada. Mecanismos de armazenamento de energia Deformao elsticaParte da deformao total conferida ao material armazenada na forma de energia elstica (5 a 10% da energia total armazenada)

Defeitos cristalinosDeslocaes e lacunas so os mais importantes (80 a 90% da energia armazenada resulta na formao de deslocaes)

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Tratamentos Trmicos ARecozimentoTratamentos trmicos que mais se aproximam das condies de equilbrio Microestrutura resulta da transformao da austenite no domnio perltico

Alvio de tensesRestaurao Recristalizao Crescimento de gro

Alvio de tenses

Tempo

Representao esquemtica da sequncia restaurao-recristalizao-crescimento de gro (Temperatura constante)

Durante a restaurao fornecida energia trmica suficiente ao ao para que as deslocas se rearranjem em configuraes de menor energia

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Alvio de tensesGros deformados Depois da restauraoDurante a restaurao fornecida energia trmica suficiente ao ao para que as deslocas se rearranjem em configuraes de menor energia

Antes da restaurao

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Tratamentos Trmicos ARecozimentoTratamentos trmicos que mais se aproximam das condies de equilbrio Microestrutura resulta da transformao da austenite no domnio perltico

Alvio de tensesRecristalizao RestauraoDureza

Reduo da energia do material (conferida pela deformao)

Temperatura

Evoluo de algumas propriedades no decorrer dos processos de restaurao e recristalizao

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Tratamentos Trmicos ARecozimentoTratamentos trmicos que mais se aproximam das condies de equilbrio Microestrutura resulta da transformao da austenite no domnio perltico

Alvio de tensesCiclo trmico:Temperatura T = 500/550 C Arrefecimento lento de forma a evitar a induo de tenses residuais de origem trmica

Tempo t = tempo necessrio para garantir que toda a massa da pea atinja a temperatura de recozimento (t poder ser igual a 0)

t

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Tratamentos Trmicos ARecozimentoTratamentos trmicos que mais se aproximam das condies de equilbrio Microestrutura resulta da transformao da austenite no domnio perltico

GlobulizaoObjectivos: Conferir ao ao a mxima ductilidade Permitir a deformao a frio dos aos de baixo e mdio teor em carbono Facilitar a maquinagem dos aos de alto teor em carbono antes de lhes conferir a dureza mxima

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Tratamentos Trmicos ARecozimentoTratamentos trmicos que mais se aproximam das condies de equilbrio Microestrutura resulta da transformao da austenite no domnio perltico

GlobulizaoMicroestrutura: matriz ferrtica com cementite globulizada

Globulizao parcial da perlite

Globulizao total da perliteMestrado Integrado em Engenharia de Materiais

Tratamentos Trmicos ARecozimentoTratamentos trmicos que mais se aproximam das condies de equilbrio Microestrutura resulta da transformao da austenite no domnio perltico

GlobulizaoCiclo trmico:Temperatura T = 650 / 750 C Arrefecimento lento de forma a evitar a induo de tenses residuais de origem trmica

300 / 600 C

t = tempo necessrio para a globulizao Tempo total dos carbonetos

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Tratamentos Trmicos ARecozimentoTratamentos trmicos que mais se aproximam das condies de equilbrio Microestrutura resulta da transformao da austenite no domnio perltico

GlobulizaoCintica de globulizao funo : da microestrutura inicial do ao da temperatura e do ciclo trmico do teor em elementos de liga

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Tratamentos Trmicos AGlobulizaoCintica de globulizao

Efeito do espaamento interlamelar da perlite

Globulizao efectuada a 700C

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Tratamentos Trmicos AGlobulizaoCintica de globulizao

Globulizao ocorrer mais lentamente

Globulizao ocorrer mais rapidamente

Micrografias de (a) perlite grosseira and (b) perlite fina. 3000 X.(From K. M. Ralls, et al., An Introduction to Materials Science andEngineering, p. 361. Copyright 1976 by John Wiley & Sons, New York.Reprinted by permission of John Wiley & Sons, Inc.)

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Tratamentos Trmicos AGlobulizaoCintica de globulizao Aumenta com a diminuio do espaamento interlamelar da perlite mais rpida em estruturas bainticas, compartivamente s perlticas mais rpida em estruturas martensticas, compartivamente s bainticas

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Tratamentos Trmicos AGlobulizaoCintica de globulizaoInfluncia do ciclo trmicoTemperatura Austenitizao parcial (entre A1 e A3 ou entre A1 e Acm) Austenitizao total

A1 Arrefecimento lento de forma a evitar a induo de tenses residuais de origem trmica

300 / 600 C

Tempo

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Tratamentos Trmicos ATmperaInibe a transformao eutectide em pelo menos 50% da sua extenso, induzindo a transformao da austenite em martensite Objectivos: Conferir ao ao a dureza mxima Temperabiliddade: capacidade que um ao tem para formar estruturas martensticas com diferentes leis de arrefecimento Profundidade de tmpera: espessura da camada de uma pea que apresenta uma estrutura temperada. Estrutura temperada: % de martensite na estrutura superior a 50%. Dureza mxima: HRC = 60 %C + 20 em que %C o teor em carbono da austenite no fim do estgio de austenitizaoMestrado Integrado em Engenharia de Materiais

Tratamentos Trmicos ATmperaInibe a transformao eutectide em pelo menos 50% da sua extenso, induzindo a transformao da austenite em martensite Ciclo trmico:Temperatura Aos hipoeutectides ou eutectides T = AC3 ou AC1 + 50 C Aos hipereutectides T = ACm - 50 C 300 / 600 C

Arrefecimento rpido: Induz a transformao adifusional da austenite

t = 15 a 20 mininutos por cm de espessura da pea

Tempo

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Tratamentos Trmicos ATmpera900 Ac3 800 Ac1 700 Ac3 = 840C Ac1 = 775C Ms = 285C

A

A+F 100 Domnio Perltico 100

A+F+C

Arrefecimento

600 Temperatura (C) A+F+C Domnio Baintico 500 3 400 300 Ms M50 200 100 0 1 2 Tempo (s) 5 10 20 50 100 200 500 1min 2min 103 15min 1h 104 8h 105 24h 70

Diagrama TACA+M

HRC

62 59 44 32

29

25

21

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Tratamentos Trmicos ATmperaDureza aps tmpera:%C 100% martensite 0.1 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 38 41 44 47 50 53 56 59 61 63 64 65 HRC 50% martensite 26 29 32 35 37 40 43 45 47 49 51 52

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Tratamentos Trmicos ATmperaDureza aps tmpera:

65

Mf inferior temperatura ambiente Aumento da austenite residual

Dureza HRC

% carbono 0,8

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Tratamentos Trmicos ATmperaDesfazamento entre a transformao da austenite na periferia e no ncleo das peas

t0

Temperatura Ncleo Periferia

Ncleo: sujeito compresso Periferia: sujeita traco

Ms Mf

t3+

t0 t1 t2 t3 Tempo

+

Austenite Martensite

t1+ + +

t2

-

+ +

-

+Expanso da periferia acomodada pela palsticidade do ncleo

-

+ + +

+ +

+

Expanso do ncleo contrariada pela periferia

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Tratamentos Trmicos ATmperaMicroestruturas formadas na periferia e centro de uma pea resultantes da variao da velocidade de arrefecimento

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Tratamentos Trmicos AMartmperaObjectivos: Evitar o desfazamento da transformao da austenite em martensite entre a periferia e o ncleo das peas Minimizar a induo tenses residuais, distores e o aparecimento de fissuras Ciclo trmico:Temperatura Aos hipoeutectides ou eutectides T = AC3 ou AC1 + 50 C Aos hipereutectides T = ACm - 50 C 300 / 600 C

Arrefecimento rpido Estgio isotrmico a temperatura ligeiramente superior a Ms, sem entrar no domnio baintico Arrefecimento rpido t = 15 a 20 mininutos por cm de espessura da pea Tempo

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Tratamentos Trmicos AMartmperaTemperatura Ncleo

Domnio perltico Periferia Domnio baintico

Ms Mf

Tempo

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Tratamentos Trmicos AAustmperaObjectivos: Tal como a martmpera Evitar o desfazamento da transformao da austenite em martensite entre a periferia e o ncleo das peas Minimizar a induo tenses residuais, distores e o aparecimento de fissuras Visa a obteno de bainite em vez de martensite Ciclo trmico:Temperatura Aos hipoeutectides ou eutectides T = AC3 ou AC1 + 50 C Aos hipereutectides T = ACm - 50 C 300 / 600 C

Arrefecimento rpido Estgio isotrmico efectuado no domnio baintico inferior Arrefecimento ao ar t = 15 a 20 mininutos por cm de espessura da pea Tempo

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Tratamentos Trmicos AAustmpera

Temperatura Ncleo

Domnio perltico Periferia 100% de transformao Domnio baintico

Ms Mf

Tempo

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Tratamentos Trmicos AAustmperaComparao entre a resistncia ao choque aps tmpera e revenido e a resistncia ao choque obtida aps austmpera

Energia absorvida no impacto (ft.lb-1)

50

= 4,572 mm Composio C Mn Si S P 0,74% 0,37% 0,145% 0,039% 0,044%

40

301 0

Austmpera 20 Tmpera e revenido

10 0 40 45 50 55 Dureza (HRC) 60 65

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Tratamentos Trmicos AArrefecimento das peas em meio lquido(Arrefecimento por radiao)

1 etapa

A pea est suficientemente quente para vaporizar o lquido. A pea fica isolada do lquido por uma camada de vapor.(Arrefecimento por ebulio)

2 etapa

A diminuio da temperatura da pea provoca o colapso da continuidade da camada de vapor. O lquido entra em ebulio. A transferncia de bolhas gasosas da superfcie da pea para a superfcie livre do lquido origina um arrefecimento rpido.(Arrefecimento por conveco)

3 etapa

A diminuio da temperatura da pea deixa de alimentar a ebulio do lquido. A perda de calor passa a fazer-se por conveco atravs do lquido.Mestrado Integrado em Engenharia de Materiais

Tratamentos Trmicos ATmperaVariao da dureza aps tmpera em funo da espessura das peas e do meio de arrefecimento

gua leo

Curvas em U

Ao com 0.48 C 0.17 Si 0.60 Mn

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Curvas em U

Tratamentos Trmicos ATmperaEnsaio de JominyTratamento trmico do provete: Normalizao

Geometria do provete

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Tratamentos Trmicos ATmperaEnsaio de JominyAps austenizao o provete ter que ser colocado no dispositivo em 5 segundos, no mximo

Tempo incidncia do jacto de gua: 5 a 10 minutos

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Tratamentos Trmicos ATmperaEnsaio de Jominy

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Tratamentos Trmicos ATmperaDeterminao da temperabilidade pelo mtodo de GrossmannProduo de uma srie de peas de revoluo, com dimetro mximo e mnimo de 70 e 60 mm respectivamente. O ciclo de fabrico prev tmpera com arrefecimento em leo ou ao ar (para controlo de deformaes durante o tratamento). Composio qumica: 0,42C - 0,25Si 0,65Mn 1,00Cr 0,2Mo Tamanho de gro aps austenitizao a 850C : 7 ASTM Profundidade de tmpera : entre 2 e 3,5 mm Temperabilidade de base (TB) Dimetro crtico ideal (DCI) Dimetro crtico (Do) em leo sem agitao (H) Identificao da curva de Grossmann H x Do Determinao da profundidade de tmpera

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Tratamentos Trmicos ATmperaDeterminao da temperabilidade pelo mtodo de GrossmannTemperabilidade de base

Dimetro: 0,22 in = 0,56 mm(1 in = 25,4 mm)

0,42% Carbono

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Tratamentos Trmicos ATmperaDeterminao da temperabilidade pelo mtodo de GrossmannDimetro crtico ideal

3,2 3,15

1,35 1,15 Mo Si Mn Cr

DCI = 0,22 x 1,15 x 3,2 x 3,15 x 1,35 = 3,44 in = 87,4 mm Composio qumica: 0,42C - 0,25Si 0,65Mn 1,00Cr 0,2Mo

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Tratamentos Trmicos ATmperaDeterminao da temperabilidade pelo mtodo de GrossmannDimetro crtico

Do (in) 2,0

Do = 2,0 in3,44 DCI (in)

DCI = 3,44 in

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Tratamentos Trmicos ATmperaDeterminao da temperabilidade pelo mtodo de GrossmannCurvas de GrossmannDu/D = 0,95 Du = 0,95 x 70 = 66,5 mm D2,0

Du

H x Do = 0,3 x 2,0 = 0,6 H x D = 0,3 x 70 / 25,4 = 0,83

Profundidade de tmpera = 70 66,5 = 3,5 mmMestrado Integrado em Engenharia de Materiais

Tratamentos Trmicos ARevenidoObjectivos: Reduzir a fragilidade e aumentar a tenacidade das estruturas temperadas Ciclo trmico:Temperatura

Tmpera T = 80 / 600 C

Revenido Arrefecimento (podendo geralmente ser efectuado ao ar) t = 1 hora Tempo

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Tratamentos Trmicos ARevenidoObjectivos: Reduzir a fragilidade e aumentar a tenacidade das estruturas temperadas

Tempering temperature, F

Variao da resistncia ao choque em funo da temperatura de revenido de aos fracamente ligados.

Dureza vs temperatura de revenido para aos de diferentes teores em carbono

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Tratamentos Trmicos ARevenidoEtapas do revenido1 etapaIntervalo de temperaturas: 80 a 200C Fenmenos verificados:

A martensite perde a tetragonalidade por rejeio do carbono em sobressaturao O carbono forma, nas agulhas da martensite, carbonetos de transio com maior teor em carbono que a cementite (psilon Fe2,4C e eta Fe2C) Aumenta a tenacidade e diminui o volume especfico

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Tratamentos Trmicos ARevenidoEtapas do revenido2 etapaIntervalo de temperaturas: 200 a 300C Fenmenos verificados:

A austenite residual transforma-se em bainite e em carbonetos Aumenta a dureza Aumenta o volume especfico Diminui a tenacidade at se atingir 350C Os revenidos efectuados entre 260 e 370C induzem estados estruturais frgeis (fragilizao ao azul). As peas revenidas a estas temperaturas no podem ser sujeitas a esforos de choque. No entanto, nesta gama de temperaturas o limite elstico mximo, e peas como molas podem ser revenidas a estas temperaturas.Mestrado Integrado em Engenharia de Materiais

Tratamentos Trmicos ARevenidoEtapas do revenido3 etapaIntervalo de temperaturas: 300 a 400C Fenmenos verificados:

Os carbonetos de transio transformam-se em cementite, a martensite de baixo carbono e a bainite originam ferrite Diminui a dureza Aumenta a tenacidade

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Tratamentos Trmicos ARevenidoEtapas do revenido4 etapaIntervalo de temperaturas: 400 a 600C Fenmenos verificados:

A cementite cresce e tende a globulizar Diminui a dureza Aumenta a tenacidade A estrutura acabar por consistir numa matriz ferrtica com carbonetos globulizados

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Tratamentos Trmicos ARevenidoParmetro de revenidoEquivalncia tempo-temperatura

P = T (20+Log(t))(Para temperaturas de revenido superiores a 400C)

P = Parmetro de revenido T = Temperatura expressa em graus Kelvin t = Tempo expresso em horas

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Tratamentos Trmicos ARevenidoEndurecimento secundrio Para alm de aumentar a temperabilidade alguns elementos de liga ajudam a retardar o amaciamento durante o revenido Cr, Mo e V, elementos com forte apetncia para formar carbonetos, so os mais eficazes Quando presentes em quantidade suficiente, no s retardam o amaciamento como tambm produzem um aumento de dureza, para temperaturas de revenido mais elevadas endurecimento secundrio A fina precipitao de carbonetos extremamente duros resulta no aumento de dureza e no retardamento do amaciamento

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Tratamentos Trmicos ARevenidoParmetro de revenido e endurecimento secundrio

Hardness

Resistncia ao choque

X

1h at temperature

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Tratamentos Trmicos ARevenidoFragilizao por revenido Fragilizao ao azul (260 a 370C) Fragilizao Krupp (400 a 575C) Fragilizao dos aos inoxidveis ferrticos (400 a 550C) Fragilizao dos aos rpidos (500 a 570C)

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Tratamentos Trmicos ARevenidoFragilizao por revenidoFragilizao ao azul (260 a 370C) Verifica-se para aos ao carbono e aos fracamente ligados Possveis causas: - Transformao da austenite resisdual em bainite - Formao de cementite, envolvendo as agulhas de martensite, s custas dos carbonetos psilon. No foi detectada fragilizao ao azul em qualquer experincia realizada em aos com teores anormalmente baixos em P e N O silcio eleva a temperatura de fragiliazo ao azul, por exemplo 0,5 a 2% Si eleva a temperatura para 300/500C (aos para molas)

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Tratamentos Trmicos ARevenidoFragilizao por revenidoFragilizao Krupp (400 a 575C) Est associada aos aos de construo Se o revenido for efectuado acima de 575C e for concludo por um arrefecimento lento, este arrefecimento, permitindo uma permanncia considervel do ao na zona de crtica, acaba por fragilizar o material Esta fragilizao , por isso, crtica para peas espessas, mas o problema facilmente resolvido mediante arrefcimento em gua ou em leo O fsforo parece ser o elemento mais pernicioso, quando presente em teores superiores a 0,015%. Para este nvel de P, o Cr e o Mn, quando presentes simultaneamente em teores superiores a 1%, tambm apresentam uma influncia desfavorvel. A susceptibilidade ainda agravada pela presena de Ni.Mestrado Integrado em Engenharia de Materiais

Tratamentos Trmicos ARevenidoFragilizao por revenidoFragilizao dos aos inoxidveis ferrticos (400 a 550C) Ocorre em aos com teor em crmio superior a 25% A fragilizao pode ocorrer ao fim de apenas alguns minutos de permanncia a 475C Esta fragilizao desaparece se o ao for aquecido acima de 600C

Fragilizao dos aos rpidos (500 a 570C) Ocorre nos aos rpidos e de trabalho a quente e est relacionada com a diminuio da resistncia ao choque dos aos associada ao pico de dureza do endurecimento secundrio

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Tratamentos Trmicos ARevenidoDecomposio da austenite residual durante o revenidoIncovenientes decorrentes da existncia de austenite residual A austenite residual, sendo um constituinte macio, no permite que o ao adquira a dureza pretendida A austenite residual, sendo um constituinte metaestvel, pode facilmente ter criadas condies para que a sua transformao em martensite ou em bainite inferior seja induzida. Isto poder provocar: - Variaes dimensionais (aumento das dimenses) - Tenses suplementares que podem provocar fissurao ou fractura (dado que o aumento de volume suportado por uma estrutura pouco dctil)

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Tratamentos Trmicos ARevenidoVias conducentes decomposio da austenite residual Transformao induzida por solicitaes mecnicas Tratamento sub-zero Revenido (geralmente duplo)

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Tratamentos Trmicos ARevenidoVias conducentes decomposio da austenite residualTransformao induzida por solicitaes mecnicas particularmente til para o caso do chamado ao Hadfield (1,2C-13Mn) Este ao completamente austentico quando arrefecido rapidamente desde 1000 ou 1100C Ao ser submetido a esforos mecnicos, a austenite transforma-se em martensite, passando a dureza de 220 para 600 HB

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Tratamentos Trmicos ARevenidoVias conducentes decomposio da austenite residualTransformao pelo frio ou sub-zero Consiste em arrefecer o ao at temperatura ambiente (desde a temperatura de austenitizao) seguindo-se um arrefecimento suplementar de vrias dezenas de graus abaixo de zero (a temperatura atingida deve ser inferior Mf para a eliminao completa da austenite residual) Este arrefecimento no feito numa nica etapa para se evitar choques trmicos exagerados. feito um estgio curto temperatura do banho de tmpera

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Tratamentos Trmicos ARevenidoVias conducentes decomposio da austenite residualDecomposio por revenido i) Temperaturas de revenido no domnio baintico A transformao da austenite do tipo da reaco baintica. A transformao ocorre tanto mais rapidamente quanto mais elevada a temperatura de revenido A temperaturas prximas da temperatura ambiente, a transformao pode demorar vrios meses (ou anos); entre 300 e 400C os tempos so relativamente curtos (na ordem dos minutos)

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Tratamentos Trmicos ARevenidoVias conducentes decomposio da austenite residualDecomposio por revenido ii) Temperaturas de revenido no domnio perlticoa) Transformao da austenite em ferrite e carbonetos S acontece a temperaturas elevadas (sempre superiores a 600C) b) Destabilizao da austenite por precipitao de carbonetos Esta precipitao empobrece a austenite em carbono e em elementos de liga, elevando-se assim os seus pontos de transformao (Ms e Mf) Embora menos ligada, o tempo de transformao da austenite ainda ser longo, pelo que esta s se transformar totalmente no arrefecimento (em martensite). Assim necessrio efectuar um segundo revenido, cerca de 25C abaixo da temperatura do primeiroMestrado Integrado em Engenharia de Materiais

Tratamentos Trmicos ARevenidoVias conducentes decomposio da austenite residualDecomposio por revenido ii) Temperaturas de revenido no domnio ferrticoa) Transformao da austenite em ferrite e carbonetos S acontece a temperaturas elevadas (sempre superiores a 600C) b) Destabilizao da austenite por precipitao de carbonetos Esta percipitao empobrece a austenite em carbono e em elementos de liga, elevando-se assim os seus pontos de transformao (Ms e Mf) O objectivo do segundo revenido aumentar a resistncia ao choque da martensite formada no primeiro revenido, e conduzido a uma temperatura inferior do primeiro para garantir a manuteno aproximada do valor de dureza.Mestrado Integrado em Engenharia de Materiais

Tratamentos Trmicos AEfeito do tratamento trmico nas propriedaes mecnicas do ao

220

382

402

354

294

633 560 - 471

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HV (30 kgf)

Tratamentos Trmicos AEvoluo da dureza em funo do teor em carbono e do tratamento trmico

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Tratamentos Trmicos ADistribuio tpica de custos para a produo de um moldeOperao Custo de material55% do custo total

Custo (%) 10 30 15 10 30 5

Operaes de arranque de apara Polimento grosseiro Tratamento trmico Polimento fino Montagem

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Tratamentos Trmicos ADeformaes decorrentes do tratamento trmicoClassificao:

Deformaes reversveis - Dilataes ou contraces provocadas por variaes de temperatura uniformes, sem ocorrncia de transformaes de fase - Deformaes provocadas por esforos mecnicos no domnio elstico Deformaes irreversveis -Fenmenos de fluncia verificados em peas de parede fina quando empilhadas sem qualquer apoio -Transformao da microestrutura de uma pea

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Tratamentos Trmicos ADeformaes decorrentes do tratamento trmicoDeformaes irreversveis(tambm designadas por DISTORES) Possveis causas:

Transformaes de fase Fluncia no decorrer do ciclo trmico Gradientes de temperatura Tenses mecnicasClassificao:

Distores de forma ou geomtricas Distores de tamanho ou volumtricas

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Tratamentos Trmicos ADeformaes decorrentes do tratamento trmicoDISTORES

Distores de forma ou geomtricas- Manifestam-se por variaes de curvatura ou das relaes angulares, tores, dobragens e flexes -Resultam de: -Tenses residuais aplicadas ao material durante a formagem do ao ou a maquinagem -Fluncia durante o tratamento trmico -Gradientes trmicos

Distores de tamanho ou volumtricas-Manifestam-se por uma expanso ou contraco e resultam da diferena de volume especfico entre os reagentes e os produtos de reaco de uma transformao de fase

A tmpera e o revenido so os principais responsveis Mestrado Integrado em Engenharia de Materiais

Tratamentos Trmicos ADeformaes decorrentes do tratamento trmicoDISTORES DE FORMA OU GEOMTRICAS

Na austenitizaoTenses residuaisAs tenses residuais induzidas durante a laminagem ou o forjamento do semi-produto a partir do qual a pea vai ser fabricada, podero na austenitizao levar a distores de forma, dada a baixa resistncia que o material ento apresenta

SoluoAs peas devero ser sujeitas a um recozimento de alvio de tenses de modo a que a maquinagem e o tratamento trmico se efectuem num material estabilizado

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Tratamentos Trmicos ADeformaes decorrentes do tratamento trmicoDISTORES DE FORMA

Na austenitizaoA elevada energia com que as peas se encontram temperatura de austenitizao torna espontnea qualquer alterao de forma que induza um decrscimo da rea. Os slidos planos tendem, sob o efeito do calor, a transformar-se em esfricos, de forma a diminuir a sua superfcie especfica. Os corpos cbicos tendem a tornar convexas as suas faces, e os prismticos tendem a tornar-se mais curtos e espessos, enquanto que as placas aumentam em espessura e diminuem as dimenses das faces

Fluncia

SoluoMinimizar o tempo de estgio e a temperatura de austenitizao para valores inferiores aos da gama recomendadaMestrado Integrado em Engenharia de Materiais

Tratamentos Trmicos ADeformaes decorrentes do tratamento trmicoDISTORES DE FORMA

Na austenitizaoPosicionamento incorrecto das peas dentro do forno, em especial no tocante falta de apoio das peas.

Fluncia

SoluesMinimizar o tempo de estgio e a temperatura de austenitizao para valores inferiores aos da gama recomendada As peas esbeltas devem ser suspensas na direco do seu eixo principal As peas finas devem ser colocadas na posio de deitadas e bem apoiadas As peas de forma complexa devem ser apoiadas por ferramentas prprias, concebidas em funo da sua geometria.Mestrado Integrado em Engenharia de Materiais

Tratamentos Trmicos ADeformaes decorrentes do tratamento trmicoDISTORES DE FORMA

No arrefecimentoGradientes trmicosNo decorrer do arrefecimento, quanto mais espessa ou de seco varivel for a pea, maiores sero os gradientes trmicos instalados. O mesmo se aplica quanto mais severa for a velocidade de arrefecimento.

SoluesEmpregar a velocidade de arrefecimento mais lenta, compatvel com a formao dos microconstituintes pretendidos. Utilizar o meio de arrefecimento mais adequado (menos severo possvel) Efectuar tratamentos trmicos que minimizem a induo de gradientes trmicos (Tmpera vs Martmpera)Mestrado Integrado em Engenharia de Materiais

Tratamentos Trmicos AEfeito do teor em carbono na curva tenso deformaoTenso C ~ 0,9%

C ~ 0,7%

C ~ 0,1%

Bandas de LudersPatamar de cedncia Quebra brusca da tenso, a deformao progride sem aumento da tenso

Deformao

Aumento do teor em carbono

Aumento da resistncia traco Diminuio da ductilidade

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Tratamentos Trmicos ABandas de Luders

Caracterstica dos metais que cristalizam segundo o sistema CCC Caracterstica dos aos ao carbono, com baixo teor em carbono (C t1

xDistncia superfcie

x1

x1

Com o aumento do tempo de estgio e da temperatura aumenta a capa cementada temperatura T, a profundidade da camada afectada ser proporcional a tMestrado Integrado em Engenharia de Materiais

Tratamentos Trmicos ACementaoEvoluo do perfil de concentrao em carbono em funo do tempo

Cs

C(x,t) C0

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Tratamentos Trmicos ACementaoExemplificao do perfil de dureza numa amostra cementada

HV (1kgf) 550

Capa dura Capa cementada Distncia superfcie

Considera-se que uma capa cementada uma capa dura quando tem pelo menos uma dureza de 550 HV aps cementao, tmpera e revenido A capa dura corresponde a 25% / 40% da capa cementadaMestrado Integrado em Engenharia de Materiais

Tratamentos Trmicos ACementaoCementao em meio slido Possui fraca reprodutibilidade, no sendo por isso utilizada para a produo em srie utilizada esporadicamente em prottipos Tem a vantagem de no requerer equipamento especial

Procedimento As peas so introduzidas em caixas metlicas cilndricas com uma mistura de carvo vegetal modo e carbonato de brio. As caixas so seladas com argila, e procede-se a um aquecimento lento para esta no fissurar, uma vez que apresenta uma transformao alotrpica a 500C (aumenta de volume)

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Tratamentos Trmicos ACementaoCementao em meio slido Reaces qumicas 700C : BaCO3 BaO + CO2 800C : CO2 + C 2CO 900C : 2CO CO2 + C

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Tratamentos Trmicos ACementaoCementao em meio lquido Trata-se de um processo substancialmente mais rpido que a cementao em meio slido efctuada num banho de sais Composio do banho: Cianeto Activadores NaCN BaCl2 CaCl2 KCl Na2O3 NaCNO 10 a 23% 0 a 40% 0 a 10% 0 a 25% 0 a 30% 0 a 1%

Cianato

(para cementaes efectuadas entre 840 e 900C; espessura da capa 0,25mm)

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Tratamentos Trmicos ACementaoCementao em meio lquido Trata-se de um processo substancialmente mais rpido que a cementao em meio slido efctuada num banho de sais Composio do banho: Cianeto Activadores NaCN BaCl2 CaCl2 KCl Na2O3 NaCNO 6 a 12% 30 a 55% 0 a 10% 0 a 20% 0 a 30% 0 a 0,5%

Cianato

(para cementaes efectuadas entre 900 e 950C; espessura da capa: 3 a 5mm)

Passados poucos segundos, a periferia atinge o potencial qumico de carbono no banho Depois h unicamente difuso, ou seja, aumento da camada cementadaMestrado Integrado em Engenharia de Materiais

Tratamentos Trmicos ACementaoCementao em meio gasoso tipo de cementao mais fivel, no entanto extremamente caro O investimento necessrio s justificvel para uma produo em larga escala O forno constitudo por duas zonas distintas: i) a zona de pr-aquecimento ii) a zona para estgio na zona de estgio que a atmosfera tem o potencial em carbono que vai permitir obter uma capa cementada especfica para uma dada temperatura e um determinado tempo de estgio

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Tratamentos Trmicos ACementaoCementao em meio gasoso Criao da atmosfera correcta na zona para estgio No exterior existe um gerador onde se procede mistura de ar e de gs e onde a combusto realizada A combusto incompleta de forma a evitar a obteno de peas oxidadas e picadas: CxHy + O2 CO2 + H2O (combusto completa) CxHy + O2 CO + CO2 + H2+ H2O (combusto incompleta) O produto da combusto introduzido na zona de estgio que inicialmente se encontrava em vazio ento efectuada a injeco de etanol (C2H5OH) e de metanol (CH3OH) que se vo decompor originando CO, H2 e pequenas quantidades de CO2 (d origem a uma elevada relao entre as presses parciais CO e CO2)

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Tratamentos Trmicos ACementaoCementao em meio gasoso Equao fundamental em meio gasoso2CO CO2 + C CO2 + H2 CO + H2O CO + H2 C + H2O Potncial em carbono da atmosfera: %C = (PCO x PH2) / (PH2O x fc x k)

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Tratamentos Trmicos ACementaoInconvenientes associados aos diferentes tipos de cementao Cementao em meio slido Processo longo e pouco cmodo H pouco controlo sobre o processo porque no existe possibilidade de aceder s peas uma vez que esto dentro de caixas Os desvios so da ordem de 0,25 mm, o que exagerado, j que a espessura da camada cementada cerca de 0,75 mm

Cementao em meio lquido necessrio um forno de fuso de banho de sais A composio qumica do banho envolve compostos altamente txicos

Cementao em meio gasoso Trata-se de um processo que requer investimentos avultados

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Tratamentos Trmicos ANitruraoEnvolve a alterao da composio qumica do ao por introduo de azoto no ao, efectuada no domnio ferrtco. Objectivos: Tal como a cementao, visa conferir ao ao uma boa resistncia traco e dureza na zona superficial, mantendo o ncleo com boa resistncia ao choque Ciclo trmico:Temperatura

T =500 / 585 C

Tmpera Revenido Nitrurao Tempo

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Tratamentos Trmicos ANitruraoProcedimento A nitrurao mais vulgar feita em meio gasoso, numa atmosfera de amonaco e livre de oxignio Reaco: NH3 N + 3/2 H2 As nitruraes so efectuadas abaixo de 590C, para evitar a reaco eutectide entre o ferro e o azoto que origina um composto demasiado frgil designado por braunite Dado que o azoto solvel no ferro at 0,1% combinando-se depois com este, originando nitretos com cerca de 6% de azoto em percentagem ponderal , verifica-se a formao de duas capas distintas

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Tratamentos Trmicos ANitrurao

Diagrama de equilbrio Fe - NDado que o azoto solvel no ferro at 0,1% combinando-se depois com este originando nitretos com cerca de 6% de azoto em percentagem ponderal

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Tratamentos Trmicos ANitruraoProcedimentoCapa branca Capa nitrurada Camada com composio qumica inicial

Capa branca

3 a 4 x 10-2 mm de espessura, consiste em nitretos de ferro e posteriormente rectificada

Capa nitrurada 3 a 5 x 10-1 mm de espessura, consiste em ferrite sobressaturada em azoto e em alguns nitretos de elementos de liga que tm mais afinidade para o azoto que para o ferro

Aps cerca de 5 horas de tratamento consegue-se obter a dureza mxima da capa nitrurada (superior a 400 HB), da em diante aumenta a profundidade da capa. Para minimizar a formo da capa branca, incorpora-se no ao elementos de liga com maior afinidade para formar nitretos que o ferro (Cr, V, Al).Mestrado Integrado em Engenharia de Materiais

Tratamentos Trmicos ANitruraoProcedimentoCiclo trmico:Temperatura

T =500 / 585 C

Tmpera Revenido Nitrurao Tempo

Se a tmpera e o revenido fossem a ltima etapa do processo, tal como acontece na cementao, haveria formao de braunite, uma vez que a austenitizao seria efectuada acima de 590C

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Tratamentos Trmicos ANitruraoVantagens Proporciona durezas mais elevadas que a cementao Uma pea nitrurada dimensionalmente mais estvel que uma pea cementada, porque a tmpera e revenido foram efectuados a temperatura superior (500C vs 200C) A nitrurao a ltima etapa do processo

Desvantagens A capa nitrurada menos espessa que a cementada A queda de dureza entre a periferia e o centro muito mais abrupta nas peas nitruradas Os esforos suportados pelas peas nitruradas tm que ser mais superficiais comparativamente s cementadas

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Tratamentos Trmicos ANitrurao vs CementaoComparao entre os perfis de dureza A camada cementada maior que a nitrurada A dureza da superfcie muito maior na nitrurao, mas a camada apresenta uma espessura muito mais reduzida A queda de dureza entre a periferia e o ncleo muito mais abrupta em peas nitruradas A dureza da zona central (ncleo) normalmente mais elevada em peas cementadas

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Tratamentos Trmicos ASeleco de aos de construoAos com %C < 0,1%

Aos para deformao plstica a frio para a produo de chapa (sujeitos a vrios recozimentos de recristalizao intrmdios durante a deformao plstica - laminagem)Aos com 0,12 - 0,25%C

Muito utilizados em rgos de mquinas. So normalmente tratados termoquimicamente (periferia resistente ao desgaste e ncleo resistente ao choque)Aos com 0,25 - 0,55%C

Aos que sero maquinados ou deformados e posteriormente tratados termicamente. (so fornecidos com baixa dureza (180 240 HB), sendo temperados e revenidos aps a maquinagem/deformao)Mestrado Integrado em Engenharia de Materiais

Tratamentos Trmicos ACritrios utilizados na seleco de aos para ferramentas Se se desgastar prematuramente, utiliza-seum ao ligado (Cr, W, V, Mo) W11C; 0,2Si; 0,2Mn Tempervel em gua

Se fracturar, reduz-se o teor em carbono Se se destinar a trabalhar a temperaturas Se a temperabilidade no for suficiente,elevadas, procura-se um ao susceptvel de sofrer endurecimento secundrio (Cr, Mo, V)

aumenta-se os teores em Mn, Cr e/ou Ni

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Tratamentos Trmicos ACritrios utilizados na seleco de aos para ferramentasResistncia ao desgasteD3 2C; 12Cr; 0,5Ni F2 1,35C; 3,5W M2 0,8C; 4,25Cr; 6,25W; 1,9V; 5Mo

W1 TemperabilidadeA2 1C; 0,8Mn; 5Cr; 1,1Mo; 0,2 V L6 0,7C; 1Cr; 1,8Ni 1C; 0,2Si; 0,2Mn Tempervel em gua

Resistncia a quenteH21 0,35C; 3,25Cr; 9W; 0,4V H13 0,4C; 5Cr; 1,5Mo; 1V

Resistncia ao choqueS2 0,5C; 1Si ; 0,5Mo

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Tratamentos Trmicos A

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Tratamentos Trmicos AFerros fundidos Genericamente, so ligas Fe-C, com teor em carbono no inferior a 2,11%, situando-se, em regra, entre 2,2 e 4% que contm tambm Si (1 a 3%) So ligas com especial aptido ao processamento por fundioTemperatura (C)

Composiao qumica, prxima da do eutctico Fe-C, garante-lhes baixa temperatura de fuso ou intervalo de solidificao (relativamente aos aos) e elevada vazabildade Reaco eutctica:Sistema metaestvel Ferro fundido branco

L (4,30%C) (2,11%C) + Fe3C (6,67%C)T = 1140C Sistema estvel Ledburite Ferro fundido cinzento

L (4,26%C) (2,08%C) + Cgrafite (100%C)T = 1154C

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Teor em carbono (% ponderal)

Tratamentos Trmicos AFerros fundidosQuais os factores que influenciam a solidificao dos FF, segundo uma ou outra verso (estvel ou metaestvel) do diagrama de equilbrio Fe-C?Composio qumica Altos teores em C e SiFerro fundido cinzento

Velocidade de arrefecimento Baixas velocidades de arrefecimento

Solidificao segundo sistema estvel (formao de um eutctico graftico) Baixos teores em C e SiFerro fundido branco

Elevadas velocidades de arrefecimento

Sistema metaestvel (formao de ledburite) Uma mesma composio qumica, pode originar, dentro de certos limites, um ferro fundido cinzento ou um ferro fundido branco, conforme a lei de arrefecimento a que a pea for sujeita Variveis que mais condicionam a lei de arrefecimento: Espessura da pea (seco fina vs seco espessa) Natureza do material da moldao (coquilha metlica vs moldao em areia) O potencial grafitizante do banho metlico poder tambm ser manipulado pela tcnica da inoculao, de forma a induzir a formao de grafite no decorrer do processo de solidificaoMestrado Integrado em Engenharia de Materiais

Tratamentos Trmicos AFerros fundidosInfluncia do silcio Diminui o teor em carbono do eutctico Diminui o teor em carbono do eutectide A deslocao do eutctico pode traduzir-se, em regra, pela equao: %Ceutctico = 4,30 - 1/3 (%Si + % P) O carbono equivalente de um ferro fundido indica a sua tendncia em solidificar como um eutctico, ou seja, com elevada fluidez, dado pela equao: %Cequivalente (CE) = %C + 1/3 (%Si + % P) O silcio endurece a ferrite por soluo slida, dando origem a resistncias mecnicas superiores s que foram indicadas para os aosMestrado Integrado em Engenharia de Materiais

Tratamentos Trmicos AFerros fundidosInfluncia do silcioMassa especfica Constitunte (g.cm-3) Ferrite Si-ferrite Si-ferrite Si-ferrite Cementite Perlite Grafite Ledburite 7,66 7,85 2,55 680-840 700-900 10 15 220-300 7,86 Rm (MPa) 280 310 430 530 A Z (%) (%) 60 50 50 20 90 85 30 Dureza Brinell 75

Observao 0,2% Si 0,8% Si 2,3% Si 3,4%Si

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Tratamentos Trmicos AFerros fundidosPrincipais tipos de ferros fundidosElemento (% ponderal) Carbono Silcio Mangans Enxofre Fsforo Ferro fundido cinzento 2,5-4,0 1,0-3,5 0,25-1,0 0,02-0,25 0,05-1,0 Ferro fundido nodular 3,0-4,0 1,8-3,0 0,1-1,0